Лабораторная работа № 5 «Изучение приборов для измерения давления»

Цель лабораторной работы

Изучение принципа действия и конструкции деформационных чувствительных элементов и поверка трубчатого манометра.

Теоретические основы измерения давления

В международной системе единиц за единицу давления принят Паскаль (Па) - давление, которое испытывает 1 м² плоской поверхности под дей­ствием равномерно распределенной, перпендикулярной к этой поверхности силы в 1 Н.

1 кгс/см² ~ 1*10^-5 Па

Наиболее распространенными средствами измерения давления являются манометры (рис. 19).

Рис. 19 – Общий вид манометра

В качестве упругих деформационных чувствительных элементов в приборах давления используются мембраны, мембранные коробки, сильфоны и трубчатые пружины (рис. 20).

Рис. 20 – Чувствительные элементы манометров: а – плоские мембраны;

б – гофрированные мембраны; в – неметаллические мембраны; г – сильфон; д – трубчатые пружины; е – пружины Бурдона эллиптического сечения; ж, з – пружины Бурдона плоскоовального сечения; и – одновитковые трубчатые пру­жины с эксцентричным каналом.

Плоские мембраны (рис. 20а), изготавливаемые из стали и бронзы, представляют собой круглые тонкостенные пластины постоянной толщины. Под действием измеряемого давления Р_изм мембранная пластина прогибается. Приборы этого типа обладают малой инерционностью и позволяют измерять переменное давление с частотой до сотен герц. Прогиб мембраны дифференциально-трансформаторным преобразователем (ДТП) преобразуется в электрический сигнал U_вых.

Гофрировка поверхности мембраны в виде кольцевых волн значительно повышает ее надежность и спрямляет характеристику мембраны. В дифманометрах применяются мембранные коробки образованные двумя спаянны­ми гофрированными мембранами (рис. 20б).

В приборах давления, измеряющих малые давления и разность давлений (тягомерах, дифманометрах) применяют неметаллические (вялые) мембраны (рис. 20в). Эти мембраны изготовляют из специальной сетчатой ткани (капрона, шелка), покрытой бензомаслостойкой резиной или пластмассой. Характеристики вялых мембран снимают экспериментально, т. к. рассчитать их не удается. Для повышения жесткости вялых мембран при­меняют пружины.

Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с поперечной гофрировкой (рис. 20г). Сильфоны применяют в приборах для измерения вакууметрического давления до 1кгс/см2 (0,1 МПа), избыточного давления до 600 кгс/см2 и разности давлений до 2,5 кгс/см2 (0,25 МПа). При работе на сжатие сильфоны выдерживают давление в 1,5-2раза больше, чем при воздействии давления изнутри. Статическая характеристика сильфонов линейна в небольших диапазонах перемещений.

Трубчатые пружины чаще всего выполняются в виде одновитковых, центральная ось которых представляет собой дугу окружности с центральным углом, равным 200-2700 (рис. 20д). Наиболее широкое примене­ние получили пружины Бурдона эллиптического (рис. 20е) и плоскоовального (рис. 20 ж, з) сечения. Большая ось 2а поперечного сечения располо­жена перпендикулярно радиусу кривизны R_к центральной оси (среднему радиусу) пружины. Один конец пружины Бурдона закрепляется неподвижно, а другой - свободный, закрытый пробкой и запаянный - соединяют с меха­низмом прибора, - стрелочным указателем или преобразователем.

Тонкостенные пружины Бурдона (рис. 20е) применяют в приборах для измерения вакууметрического давления до 1 кгс/см2 (0,1 МПа) и избыточного давления до 60 кгс/см2 (6 МПа). Для измерения избыточного давле­ния до 200-1600 кгс/см2 (20-160 МПа) применяют толстостенные пружины овального сечения (рис. 10ж). Для измерения сверхвысокого давления до 10000 кгс/см2 (1000 МПа) и выше применяют одновитковые трубчатые пру­жины с эксцентричным каналом (рис. 20и).

Под действием измеряемого давления Ризм пружина Бурдона деформи­руется в поперечном сечении, принимая форму, изображенную на рис. 9е пунктиром. Продольные волокна элемента пружин растягиваются наиболее значительно у малой полуоси. В продольных волокнах наружного радиуса трубки Бурдона будет возникать растяжение, а в волокнах внутреннего радиуса - сжатие. Вследствие того, что волокна, стремятся сохранить свою первоначальную длину, трубка Бурдона будет разгибаться. При этом свободный конец трубки совершит некоторое линейное перемещение.

Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин необходим материал с высокой упругостью, антикоррозийностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры, который также должен хорошо под­даваться технологической обработке, пайке и сварке. Указанным требованиям отвечают бронза, латунь и хромоникелевые сплавы.

Конструкция и принцип действия пружинного манометра

Основным элементом пружинного манометра является изогнутая полая трубчатая пружина плоской формы (рис. 21). Один конец пружины, в которую поступает измеряемое давление, закреплен неподвижно в держателе, второй (закрытый) – может перемещаться. В трубчатой пружине изначально настраивается определенное давление, после чего можно производить измерения. В трубчатую пружину 1, через штуцер и держатель 2 поступает избыточное давление и она начинает изгибаться, приводя в движение тягу 4, которая в свою очередь перемещает ось 5, тем самым приводя в движение индикаторную стрелку 6, которая показывает соответствующее значение давления.

Рис. 21 – Конструкция пружинного манометра:

1 – трубчатая пружина; 2 – держатель; 3 – хомутик; 4 – тяга; 5 - ось с зубьями; 6 – винт; 7 – стрелка.

Поверка средств измерения давления

Основной недостаток трубчатых пружин и, вообще, упругих элементов - это непостоянство их показаний вследствие наличия у них остаточных деформаций, накапливающихся со временем. Поэтому пружинные манометры поверяются чаще, чем, например, жидкостные.

Результаты поверки дают возможность судить о соответствии точности показаний данного манометра классу точности, установленному для дан­ного прибора.

Класс точности показывает наибольшую допустимую для данного прибора величину приведенной погрешности. Если при поверке прибора окажется, что приведенная погрешность по всей шкале или в ее рабочей части не превышает класса точности данного прибора, то такой прибор пригоден к дальнейшей эксплуатации. В противном случае он должен быть подвергнут ремонту или переведен в более низкий класс точности.

Приборы поверяют путем сравнения их показаний Р_изм с показаниями образцовых приборов Р_дейст По ГОСТ 15614–70 абсолютная погрешность образцового прибора должна быть в четыре раза меньше абсолютной пог­решности поверяемого прибора. Верхний предел измерения поверяемого прибора должен быть не менее 3/4 шкалы образцового прибора или равен ему.

При поверке приборов до 2.5 кПа в качестве образцового используют чашечный микроманометр с наклонной трубкой, при давлении до 60 кПа применяют ртутный манометр, а для поверки манометров среднего и высокого давления - грузопоршневые манометры, класс точности которых 0,02 и 0,05.

В процессе поверки манометров определяются следующие виды погреш­ностей:

1. Абсолютная - разность между показанием поверяемого прибора и действительным значением измеряемого давления:

Δ = Р_изм - Р_дейст (14)

2. Относительная - разность между показанием поверяемого прибора и действительным значением измеряемого давления в процентах от действительного значения измеряемого давления:

δ = (Δ / Р_дейст)*100% (15)

3. Приведенная - абсолютная погрешность в процентах от разности между верхним и нижним пределами шкалы данного прибора:

γ = (Δ / (Р_в - Р_н))*100% (16)

Р_в - верхний предел шкалы поверяемого манометра, в МПа,

Р_н - нижний предел шкалы поверяемого манометра в МПа.

Об устойчивости показаний поверяемого манометра судят по величине вариации - разности показаний манометра при прямом и обратном ходе, соответствующем одному и тому же действительному значению измеряемого давления:

В = Р_пр - Р_обр (17)

Если поверяемый манометр имеет приведенную (основную) погрешность больше допустимой, определяемой классом точности на шкале прибора, то его подвергают регулировке или переводят в более низкий класс точности.

Регулировка манометра

Регулировка манометра, производится в следующем порядке:

1.    В один из штуцеров винтового пресса устанавливают образцовый пружинный манометр.

2.    В системе создают давление, равное 50 % номинального значения шкалы регулируемого манометра, для чего маховик винтового пресса вра­щают по часовой стрелке до тех пор, пока стрелка образцового пружинного манометра не установится против соответствующего значения отмет­ки шкалы. При этом угол между тягой 5 и осью 4 регулируемого манометра должен составлять 90º иначе шкала прибо­ра получится неравномерной (рис. 11)

3.    Чтобы установить угол 90º между тягой и осью освобождают винт 6 и поворачивают передаточный механизм в том или другом направлении до необходимого положения, после чего вин­т 6 закрепляют.

4.    Создают в системе предварительное давление, равное 10 % номинального значения шкалы регулируемого манометра. Стрелку манометра закрепляют на оси с таким расчетом, чтобы конец ее находился против соответствующей отметки регулировочной шкалы.

5.    Вращением маховика винтового пресса в манометрической системе повышают давление до максимального значения шкалы регулируемого мано­метра, при этом стрелка образцового пружинного манометра должна установиться на заданном значении.

6.    Нужно помнить, что если стрелка прибора не доходит до верхнего предела шкалы, то тягу передвигают в сторону оси, т. е. увеличивают размах стрелки. Если же стрелка устанавли­вается за пределом шкалы, то тягу передвигают в противоположную сто­рону, уменьшая размах стрелки.

7.    Давление в системе снижают до первоначального значения. Если стрелка прибора совпадает с отметкой на шкале, приступают к поверке прибора по всей шкале. В противном случае повторяют регулировку при­бора в соответствии с пунктом 5.

Схема грузопоршневого манометра, используемого в лабораторной работе показана на рис. 12.

Рис. 22 - Схема грузопоршневого манометра: 1 – колонка, 2 – поршень, 3 – тарелка, 4 – груз, 5 – штуцер, 6 – штуцер, 7 – вентиль, 8 – вентиль, 9 – вентиль, 10 – поршень, 11 – бочок, 12 – вентиль, 13 – поршень, 14 – маховик, 15 – поршень, 16 – контрольный манометр, 17 – поверяемый манометр.

Стартовое положение

Стартовое положение прибора в данной лабораторной работе представлено на рисунке 23.

Рис. 23- Внешний вид грузопоршневого манометра

Порядок действий

1. Откройте оба вентиля, расположенные перед манометрами.

2. С помощью маховика, расположенного с правой стороны прибора, установите стрелку образцового манометра на отметку 5 Па.

3. Зафиксируйте в блокноте показания испытуемого манометра. Показания испытуемого манометра будут больше эталонного в 6 раз для увеличения точности снимаемых показаний, т.е. показания испытуемого манометра необходимо разделить на 6.

4. Установите большее значение давления, вращая маховик расположенный с правой стороны прибора, а затем вновь установите выбранное давление (5 Па) на эталонном манометре с помощью маховика. Зафиксируйте в блокноте показания испытуемого манометра при обратном ходе.

5. Повторите эксперимент для нескольких значений давления. Результаты измерение занесите в отчет.

Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы:

1 группа – 6 Па; 10Па; 15Па; 20Па; 26Па; 31Па; 37Па; 42Па.

2 группа – 4 Па; 11Па; 16Па; 19Па; 25Па; 32Па; 36Па; 44Па.

3 группа – 7 Па; 12Па; 17Па; 22Па; 28Па; 33Па; 38Па; 43Па.

4 группа – 9 Па; 14Па; 18Па; 21Па; 29Па; 32Па; 40Па; 45Па.

5 группа – 8 Па; 13Па; 19Па; 24Па; 27Па; 35Па; 39Па; 41Па.

6. Результаты измерение занесите в отчет.

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующее:

1. Краткое описание и принцип действия трубчатого манометра.

2. Порядок регулировка и поверки манометра.

3. Протокол поверки манометра, согласно таблицы 1.

4. Выводы о пригодности поверяемого манометра к дальнейшей эксплуатации.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия и устройство термометров сопротивления.

2.   Электрическая схема электронного автоматического моста типа КСМ.

Таблица 7 - Протокол поверки манометра

Проверяемое значение измеряемой величины, Ризм, кгс/см2

Действительное значение входного сигнала

Погрешность поверяемого прибора в процентах нормирующего значения или в единицах измерения

Вариация, %

При прямом ходе

При обратном ходе

Прямой ход

Обратный ход













1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

Контрольные вопросы

1.Определение физической величины давления и единицы его измерения.

2.Устройство, работа и область применения плоских мембран, мембранных коробок, сильфонов.

3.Устройство, работа и область применения различных трубчатых пружин в манометрах.

4. Устройство, работа и регулировка трубчатого манометра.

5. Виды погрешностей и оценка дальнейшей пригодности прибора к эксплуатации.